Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

Для анализа работы двигателей используются различные характеристики: скоростные, нагрузочные, регуляторные, регулировочные и т.д. Обычно все характеристики получают экспериментальным путем при испытаниях двигателей.

При проектировании нового двигателя отдельные характеристики (например, скоростная и нагрузочная) могут быть построены расчетным путем.

Скоростная характеристика показывает изменение мощности N_е, крутящего момента М_е, расход топлива g_е, G_Т и других параметров от частоты

вращения коленчатого вала n.

Скоростная характеристика, полученная при полном дросселе (карбюраторный двигатель) или при положении рейки топливного насоса (дизель), соответствующем номинальной мощности, называется внешней. Внешняя скоростная характеристика позволяет провести анализ и дать оценку мощностных, экономических, динамических и эксплуатационных показателей при работе двигателя с полной нагрузкой.

С достаточной степенью точности внешнюю скоростную характеристику можно построить по результатам теплового расчета, проведенного для одного режима работы двигателя – режима максимальной мощности, и использования эмпирических зависимостей.

Построение кривых скоростной характеристики ведется в интервале:

– для карбюраторных двигателей от n_min= 600…1000 мин^-1 до n_max = (1.05…1.20)n_Ne;

– для дизелей от n_min = 350…800 мин^-1 до n_Ne, где n_Ne - частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности (берется из задания).

Расчетные точки параметров определяются по эмпирическим зависимостям через каждые 500…1000 мин^-1 (определяются промежуточные 5…6 точек).

Расчетные точки кривой эффективной мощности N_ех, (кВт) определяются по следующим эмпирическим зависимостям:

– для карбюраторных двигателей:

 

(122)

 

– для дизелей с неразделенными камерами:

 

(123)

 

– для дизелей с предкамерой:

 

(124)

 

– для дизелей с вихревой камерой:

 

(125)

В формулах (122) – (125) принято:

N_е и n_Ne – номинальная эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин^-1) при номинальной мощности (берутся из задания);

N_ех и n_х – эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин^-1) в искомой точке скоростной характеристики двигателя.

По рассчитанным в масштабе М_Nе строят кривую эффективной мощности (рисунок 7, а, б).

 

 

а – карбюраторный двигатель; б – дизель

Рисунок 7 – Скоростные характеристики двигателей

 

Точки кривой эффективного крутящего момента (Н·м) определяют по формуле

 

(126)

 

Кривая крутящего момента, построенная в масштабе мм, выражает также изменение среднего эффективного давления, но в масштабе М _р (МПа/мм):

 

(127)

 

Средняя скорость поршня (м/с)

 

(128)

 

Величину среднего эффективного давления р_ех (МПа) для рассчитываемых точек можно определить по кривой М_ех или из выражения

 

(129)

 

Точки кривой среднего индикаторного давления находят по формуле

 

(130)

 

где р_мх – среднее давление механических потерь (МПа) определяют в зависимости от типа и конструкции двигателя по уравнениям:

– для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до шести и отношением

(131)

 

– для карбюраторных восьмицилиндровых двигателей с отношение

(132)

 

– для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до шести и отношением

(133)

 

– для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

 

(134)

 

– для дизелей с предкамерой

 

(135)

 

– для дизелей с вихревыми камерами

 

(136)

Кривая среднего индикаторного давления, построенная в масштабе М_р,

выражает также изменение индикаторного крутящего момента, но в масштабе М_м , (Н·м/мм):

 

(137)

 

Расчетные точки индикаторного крутящего момента М_iх, (Н·м) можно определить по кривой р_iх или из выражения

 

(138)

 

Удельный эффективный расход топлива (г/кВт·ч), в искомой точке скоростной характеристики:

– для карбюраторных двигателей

 

(139)

 

– для дизелей с неразделенными камерами

 

(140)

 

где g_еNе – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности, г/(кВт·ч).

Часовой расход топлива , (кг/ч) определяется по уравнению

 

(141)

 

Для определения коэффициента наполнения необходимо задаться законом изменения по частоте вращения. Для карбюраторных двигателей с достаточной степенью точности можно принять значения постоянными на всех скоростных режимах, кроме минимальной частоты вращения. При n_x= n_min следует принимать смесь, несколько более обогащенную, чем при n_x= n_Nе, т.е. .

В дизелях при работе по скоростной характеристике с увеличением частоты вращения значении несколько увеличивается. Для четырехтактного дизеля с непосредственным впрыском можно принять линейное изменение ,

причем . Соединяя и (рисунок 7) прямой линией, получим значения для всех расчетных точек.

По выбранном закону изменения коэффициент наполнения

 

(142)

 

По скоростной характеристике определяют коэффициент приспособляемости К, представляющий собой отношение максимального крутящего момента М_емах к крутящему моменту М_еNe при номинальной мощности:

 

(143)

 

Этот коэффициент служит для оценки приспособляемости двигателя к изменению внешней нагрузки и характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки. Для карбюраторных двигателей К = 1,20…1,35, у дизелей характеристика крутящего момента протекает более полого и значения коэффициента приспособляемости находятся в пределах К = 1,05…1,20.

Все расчетные данные заносятся в таблицу 17.

 

Таблица 17

Расчетные параметры внешней скоростной характеристики двигателя

Частота вращения коленчатого вала nх, мин-1	Параметры внешней скоростной характеристики
Nех, кВт	Мех, Н·м	pех, МПа	, м/с	рмх, МПа	рiх, МПа	Мiх, Н·м	gех, г/(кВт·ч)	, кг/ч	αх

По расчетным данным, приведенным в таблице 17, строим внешние скоростные характеристики двигателей (рисунок 7, а,б).